董碧璇 , 馮衛(wèi)兵 , 馮 曦

(1. 海岸災害及防護教育部重點實驗室(河海大學), 江蘇 南京 210098; 2. 河海大學 港口海岸與近海工程學院, 江蘇 南京 210098)

波浪傳播到近岸發(fā)生破碎后, 由于輻射應力的作用, 壅高于岸邊的水體會通過破波帶流回海洋, 這種條帶狀的強烈表面流被稱之為離岸流, 又叫做裂流[1]。裂流頭、裂流頸、沿岸流、裂流補償流構成了整個裂流系統(tǒng)。持續(xù)時間短、流速快、流向幾乎與海岸垂直是裂流最為顯著的特點[2]。波高、波浪周期、波向角、波浪破碎點、潮汐、風以及海灘長度、岸線形狀、近岸的建筑物等都會對裂流的產生、規(guī)模、強度、位置造成影響[3]。20世紀40年代開始, 研究人員采用理論研究與現(xiàn)場觀測相結合的方法, 對裂流的形成機理、影響因素進行了研究。物理模型試驗和數(shù)值模擬被廣泛地應用到裂流的研究之中。統(tǒng)計調查顯示, 澳洲、美洲的一些國家裂流分布廣泛, 經(jīng)常會出現(xiàn)由于裂流而引發(fā)的安全事故, 僅在美國, 每年就有上百余人因裂流而喪命。我國海南省和廣東省也經(jīng)常有由于裂流導致溺水事故的新聞報道。研究裂流的產生機理、影響因素, 探索預報裂流的方法, 從而精確地預報裂流的發(fā)生, 能夠有效地降低在海灘上的人員傷亡。

1 裂流的分類及國內發(fā)生概況

1.1 裂流的分類

研究人員根據(jù)引發(fā)裂流原因, 將裂流分為兩類: (1)由地形控制的裂流; (2)由水動力控制的裂流[3]。在此基礎上, Castelle等將裂流劃分為三大類型, 在三大裂流類型的基礎上, 又將裂流分為六種不同的類型, 分別是: 水動力控制的裂流: (1)剪切不穩(wěn)定裂流(shear instability rips); (2)瞬變裂流(flash rips), 這兩類裂流一般發(fā)生在均勻的海灘和近岸, 持續(xù)時間短, 產生的位置不固定。地形控制的裂流: (1)溝槽裂流(channel rips); (2)聚焦型裂流(focused rips), 這兩類裂流發(fā)生在相對固定的位置, 是由海浪帶和內陸架帶的自然沿岸形態(tài)變化所產生的水動力過程驅動的。邊界控制的裂流: (1)偏斜裂流(deflection rips); (2)陰影區(qū)裂流(shadow rips),這兩類裂流在剛性橫向邊界發(fā)生流動, 如天然海頭, 人為結構(防波堤, 碼頭等)[4]。溝槽裂流(channel rips)因其易觀測性和分布的廣泛性而受到世界上眾多研究人員的關注, 并對溝槽裂流的形成機理、驅動機制、影響溝槽裂流的因素開展了大量的研究。水動力控制的裂流由于其主要驅動機制較為復雜, 因此與其他裂流相比研究的不多。圖1是世界上裂流頻發(fā)的地區(qū)以及針對裂流做出過相關研究的地區(qū)分布。

圖中紅色虛線矩形為世界上裂流頻發(fā)地區(qū), 包括美國佛羅里達州、墨西哥、英國西南部、印度、巴西南部、澳大利亞東南部沿海地區(qū)、韓國釜山、中國海南、廈門及青島地區(qū); 藍色實線圓形為針對裂流災害已經(jīng)開展相關研究和應對措施的國家和地區(qū), 包括美國、荷蘭、澳大利亞、英國、韓國及中國。由圖可見雖然在中國中部沿海地區(qū), 裂流災害或潛在的裂流災害分布廣泛, 但我國的裂流的預警系統(tǒng)尚未健全, 對裂流研究較少。

圖1 世界上裂流頻發(fā)的地區(qū)以及針對裂流做出過相關研究的地區(qū)分布[審圖號: GS(2016)1664號] Fig. 1 The regions that have many rip currents and those where the rip currents have been investigated [Map number: GS(2016) 1664]

1.2 國內裂流發(fā)生概況

我國的裂流災害嚴重且具有典型性, 在每年的7、8、9三個月份頻繁發(fā)生。Shepard[5]等指出, 在岸線較長的砂質海灘上更容易觀測到裂流。根據(jù)水文學和地質學的觀點, 位于熱帶地區(qū)的基巖質海岸發(fā)生裂流的可能性更高[6], 我國沿海地區(qū)除江蘇段岸線, 其余岸線都分布有基巖海岸。圖2為我國基巖海岸的分布(發(fā)生裂流幾率較高的區(qū)域)及裂流高發(fā)區(qū)示意圖。裂流現(xiàn)象最嚴重的地區(qū)是海南三亞、陵水地區(qū), 裂流區(qū)長度可超過100 m, 山東青島地區(qū)次之, 裂流區(qū)長度約30~60 m。沿江蘇段海岸線, 從最北端的連云港市至最南端的南通市, 近岸地區(qū)幾乎全是灘涂, 屬于淤泥質海岸, 不具備裂流的產生條件, 因此, 江蘇地區(qū)裂流出現(xiàn)的可能性很低。

2 研究歷史

自20世紀40年代始, 國外的研究人員對裂流的機理、形態(tài)特征、危險性評價等方面進行了研究, 在觀測、試驗、模擬方面的獲取了大量成果。1936年Shepard[7]首次定義了裂流, 并將其與逆流(undertow)和激流(riptide)進行了明確地區(qū)分; 1941年, Shepard等[5]在美國加利福尼亞州的La Jolla海灘首先對裂流進行了科學地觀測, 他認為長度長的海灘上更容易觀測到裂流的存在, 并第一次定性地對裂流的特征進行了科學的描述; 1964年, Longuet-Higgins等[8]將輻射應力這一概念引入到裂流的研究中, 奠定了以數(shù)值模擬的方法進行裂流研究的理論基礎; 1969年, Bowen等[1]首次提出了輻射應力在近岸地區(qū)環(huán)流系統(tǒng)中所起的作用。圖3為根據(jù)Shepard對裂流的基本描述繪制的裂流的示意圖。我國針對裂流的研究起步很晚, 由于我國裂流災害嚴重且具有典型性, 對于我國濱海旅游區(qū), 國家海洋局海洋減災中心在最近幾年已經(jīng)逐漸展開了裂流危險特征評估、公眾科普、安全警示等工作, 對于其中的重點濱海旅游地區(qū)(海南、山東等), 技術評估和設立公眾警示標識的工作也相繼開展[6]。圖4為中國國家海洋局海洋減災中心在國內的一些重點濱海旅游區(qū)設立的裂流警示標識。國內的研究人員也圍繞物理模型試驗和數(shù)值模擬開展了針對裂流流場特性、影響因素等的相關研究。2007年, 白志剛等[9]采用了SHORECIRC準三維的近岸流模型耦合了REF/DIF1波浪模型模擬裂流; 2011年, 房克照等[10]在二階完全非線性Boussinesq水波方程的基礎上建立了二維波浪破碎數(shù)值模型; 2013年, 房克照等[11]在Haller實驗地形的基礎上進行了單溝槽沙壩海岸的裂流試驗研究; 2015年, 王彥等[12-13]研究了平直沙壩海岸疊加波浪的裂流特性和緩坡開槽沙壩海岸裂流特性; 李志強等[14-16]基于海灘地形動力狀態(tài)分類模型, 建立了裂流風險評價方法, 在2015、2016年分別對華南海灘裂流、三亞大東海、湛江東海島裂流進行了風險評價; 2018年, 汪鴻等[17]利用FUNWAVE模型對弧形海岸上裂流的性質進行了研究。

3 國內外研究現(xiàn)狀

3.1 研究方法

現(xiàn)場觀測、物理模型試驗和數(shù)值模擬是目前研究裂流的三種最基本的方法。20世紀40年代至20世紀末, 研究人員側重于對裂流形成機制等理論方面的研究, 并以理論研究和實際觀測相結合的方式, 從理想化條件下研究裂流的形成機制; 21世紀以來, 隨著計算機模擬技術的進步和大型物理模型試驗設施的完善, 對裂流的研究更多地結合了實際情況下復雜的邊界條件和地理、海洋環(huán)境等綜合因素, 并將更多的關注點投向了裂流預警預報系統(tǒng)的建設之中。

3.1.1 現(xiàn)場觀測

現(xiàn)場觀測可以直接觀測到裂流的形態(tài), 避免了物理模型試驗中的尺度效應, 獲得精確的實測數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場觀測的方法有兩種: 一是定點測量, 二是浮子 示蹤。定點測量通過固定的流速儀采集流場中固定點的數(shù)據(jù), 但不能遍布整個流場, 在測量流場的平面流動結構形態(tài)方面較為欠缺。浮子示蹤彌補了定點測量的不足, 通過分析浮子的軌跡能夠得到整個流場的速度分布以及詳細的平面流動結構形態(tài)。表1列出了國外現(xiàn)場觀測手段的發(fā)展概況。

圖4 中國國家海洋局海洋減災中心在重點濱海旅游區(qū)設立的裂流警示標識(圖片來自網(wǎng)絡) Fig. 4 A sample warning sign indicating the possibility of rip currents set up by the National Marine Hazard Mitigation Service in some key coastal recreational areas in China

表1 國外現(xiàn)場觀測手段發(fā)展概況 Tab. 1 The development of field observation methods abroad

從表1可以看出, 早期的現(xiàn)場觀測一般利用肉眼觀測或是使用染料、浮子示蹤的方法, 輔以攝像機拍攝浮子的運動軌跡以分析裂流的運動特性, 以及少量的測站測量流速和壓強。后來逐漸采用多普勒測量儀及多普勒聲納等對裂流的流速、脈動機制進行測量。GPS技術的發(fā)展為裂流的現(xiàn)場觀測提供了更為簡便精確的方法, 研究人員通常在觀測區(qū)域大范圍地放置浮子, 利用GPS定位技術記錄出浮子的運動軌跡, 進而分析裂流的流場特性等。從上表可以看出, 現(xiàn)場觀測手段從一些零散的儀器, 逐漸發(fā)展成了全面的裂流測量系統(tǒng)。

國內對裂流的研究都是圍繞物理模型試驗和數(shù)值模擬展開的, 缺乏現(xiàn)場觀測的設備和手段?，F(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的匱乏對于后續(xù)裂流的精確數(shù)值模擬和風險評價都會造成一定的影響。

3.1.2 物理模型試驗

很多學者在實驗室開展了裂流的物理模型試驗研究。物理模型試驗與現(xiàn)場觀測相比, 需要的資金更少, 可控性更好, 數(shù)據(jù)更容易采集。盡管現(xiàn)階段對裂流形成機制的研究還不夠全面, 但很多學者對波浪正向入射條件下溝槽裂流的產生機理達成了一致認識[3]: 近岸海底的地形不均勻或是有向海突出的結構物、礁石等造成波浪破碎點不均勻, 從而導致波浪增減水沿岸分布不均勻。波浪增減水沿岸分布的不均勻性又會進一步產生壓力差, 壓力差驅動生成沿岸流, 在低增水區(qū)匯聚成離岸流即裂流。沙壩和溝槽的存在使得近岸海底地形不均勻[28], 因此, 大多數(shù)物理模型試驗都是通過改變沙壩地形來產生, 最具代表性的裂流地形模型有: Haller實驗地形、Dr?nen實驗地形。

Haller[29]建立了一個帶有雙溝槽的沙壩地形進行了裂流的物理模型實驗。Haller地形因其代表性和開創(chuàng)性, 被廣泛地應用于數(shù)值模擬研究的驗證工作。地形圖如圖5所示。該實驗采用正向入射的規(guī)則波, 對流場的流速、波高和平均水位進行了測量, 實驗觀測到了裂流的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

Dr?nen[30]實驗在一個4 m寬, 30 m長的水槽中進行。該實驗地形與Haller實驗地形不同之處在于該模型只有一個裂流槽, 與Haller地形采用的雙溝槽沙壩地形相比, 能夠很好地消除實驗過程中裂流的不穩(wěn)定性。該模型可以理解為與海岸線平行的沙壩被垂直于海岸線的溝槽均勻地截斷。

圖5 Haller[30]實驗地形 Fig. 5 Examples of the Haller experimental terrain

圖6 Dr?nen[31]實驗地型 Fig. 6 Dr?nen experimental terrain

我國的研究人員在裂流的物理模型試驗方面做了許多工作。表2列舉了我國在物理模型試驗方面所做的貢獻。

房克照等[11]進行了單溝槽沙壩海岸的裂流試驗研究, 分析了不同波高對于裂流強度及整個流場形態(tài)的影響。王彥等[12]進行了平直沙壩海岸疊加波浪的裂流實驗, 分析了疊加波浪場的裂流特性。由于目前在實驗室進行的裂流物理模型試驗大多是在陡坡地形下進行的, 針對緩坡地形下裂流特性的研究還 有所缺乏, 因此, 王彥等[31]進行了疊加波浪有槽緩坡沙壩地形裂流試驗。浮子示蹤的方法也被廣泛地應用到了物理模型試驗當中, 彭石等[32]利用浮子示蹤的方法測量了由波浪破碎引起的裂流。其中, 王彥[31]、彭石[32]開展的實驗采用的是直立反射墻產生的反射波和入射波交叉產生的疊加波浪作為入射波浪, 在國際上屬首次使用。但是, 上述實驗的入射波浪都是采用正向入射的波浪, 對于斜向入射的波浪以及不規(guī)則波和波群作用下裂流流場的特性的探究還不多。此外, 這些試驗的地形都是使用水泥砌筑的定床試驗, 與實際的海灘地形有差異。

圖7 Dr?nen[31]實驗地型 Fig. 7 Dr?nen experimental terrain

表2 國內物理模型實驗 Tab. 2 Experiment research conducted in China

3.1.3 數(shù)值模擬

與現(xiàn)場觀測和物理模型試驗相比, 數(shù)值模擬的成本最小, 而且可以避免物理模型試驗中要考慮的比尺效應問題。此外, 數(shù)值模擬還可以處理一些在空間范圍上屬于大尺度的問題。

當前適合用作模擬裂流的波浪模型分為兩類: 第一類是以SWAN模型等為代表的波浪時均模型, 計算速度快, 但對近岸波生流場的波浪非線性影響、波流相互作用等顯著特征的考慮方面有所欠缺。第二類模型是以FUNWAVE、SWASH等模型為代表的波浪時域模型, 這類模型可以直接在時域內對流場進行計算, 彌補了波浪時均模型的缺點; 不足之處在于相對于波浪時均模型, 這類模型計算量大, 計算效率不高且耗時較多。還有一些海洋模型或模擬系統(tǒng)如ROMS、SHORECIRC、COAWST、Delft 3D、Mike 21等也可以用作全流域的裂流的數(shù)值模擬, 模擬系統(tǒng)優(yōu)勢在于可以綜合考慮波流交互作用、泥沙運動等條件。較為常用的波浪模型列于表3。

除了利用上述波浪模型對裂流進行模擬之外, 國外的一些學者也采用直接求解Boussinesq方程的方法[37-38], 對裂流進行數(shù)值模擬的研究。

我國在數(shù)值模擬方面針對裂流開展的研究并不多, 僅有的成果是白志剛等[9]采用的SHORECIRC準三維的近岸流模型耦合REF/DIF1波浪模型模擬裂流, 并將模擬結果與Borthwick等人的試驗結果進行了對比, 驗證該數(shù)學模型對研究近岸流的適用性; 房克照等[10]在二階完全非線性Boussinesq水波方程的基礎上建立了二維波浪破碎數(shù)值模型, 模擬了沙壩海岸上產生的裂流; 張堯等[39]利用Boussinesq– Green–Naghdi模型對Haller地形下產生的裂流進行了數(shù)值模擬; 汪鴻等[17]利用Haller試驗的數(shù)據(jù)對FUNWAVE模型模擬裂流進行了驗證, 并利用該模型對多種弧形海岸條件進行了裂流數(shù)值模擬。

表3 模擬裂流的波浪模型 Tab. 3 Wave models used in simulating the rip currents

3.2 裂流風險評價

我國多數(shù)重點濱海旅游區(qū)的海灘存在裂流現(xiàn)象及大量溺水事故記錄。在海灘溺水問題中約80%~ 90%的事故由裂流造成。因此, 對海灘進行裂流風險評價并在裂流高發(fā)區(qū)域設立警示標志, 加大海灘安全性建設尤為重要。歐洲、北美洲的一些發(fā)達國家諸如英國、美國等已經(jīng)建立了包括裂流的觀測、排查、警示、科普、預警報在內的公共服務體系, 提出了多種裂流風險評價的方法。我國在裂流風險評價、風險管理方面處于起步階段, 基于國外裂流風險評價研究進展, 初步建立了地形動力學裂流風險評價指標和水力學裂流風險評價指標, 但在評估裂流災害造成的人員傷亡及財產損失方面尚屬空白。

3.2.1 基于地形動力學指標的裂流風險等級評價

澳大利亞學者Wright等[40]提出了無量綱沉降速率參數(shù)(?)模型, 該模型將海灘狀態(tài)分為三種: 消散型海灘、過渡型海灘和反射型海灘。Masselink等[41]在Wright提出的模型的基礎上引入了相對潮差的概念, 建立了更加系統(tǒng)全面的模型, 這個模型不僅考慮海灘狀態(tài)與波浪要素之間的關系, 也考慮了波浪與潮差的相互作用。表4為Masselink提出的分類模型。

Masselink模型是國外目前廣泛使用的基于地形動力學指標分析濱海旅游海灘裂流風險等級的模型, 對各類海灘是否存在裂流作了較好的劃分。但國外并沒有專門用于評價裂流危險程度的風險評價模型。而且無量綱沉降速率參數(shù)(?)模型的一個不足之處在于過渡型的海灘類型的區(qū)分需要研究人員根據(jù)現(xiàn)場觀測進行主觀地判斷。由于裂流的形成和發(fā)育與近岸地形有著密切的關系, 李志強等在無量綱沉降速率參數(shù)(?)模型和相對潮差模型的基礎上, 建立了一種裂流危險性評價方法, 該方法操作簡便, 能定量區(qū)分裂流出現(xiàn)可能性的特征。

表4 Masselink 分類模型 Tab. 4 Masselink classification model

如圖所示, R類、LTT類、NBD類、UD類海灘, 這些海灘沒有沙壩發(fā)育, 因此產生裂流現(xiàn)象的可能性很小, 所以這幾類海灘屬于安全性較高的海灘; LTBR類、B類海灘屬于中間狀態(tài)組, 出現(xiàn)裂流的可能性是最高的; BD類、LTTR類海灘出現(xiàn)裂流的風險中等。基于上述方法, 李志強等[14-16]對華南海灘裂流、三亞大東海、湛江東海島裂流進行了風險評價, 為海灘浴場的選址和管理提供參考。

圖8 裂流風險評價模型[14] Fig. 8 Risk assessment model of rip currents

3.2.2 基于水動力指標的裂流風險等級評價

國家海洋局發(fā)布的《濱海旅游區(qū)裂流災害風險排查技術規(guī)程》(征求意見稿)提出, 水動力指標也是對裂流進行風險評估的指標之一。應用浪-流耦合模型(SWAN-ROMS、SWAN-ADCIRC、SWAN-POM等)、相位解析、非靜壓等中小尺度的近岸水動力數(shù)值模型, 基于濱海旅游地段的實測水深地形, 精細化模擬推衍區(qū)域內裂流、波流相互作用等復雜水動力環(huán)境的時空變化規(guī)律。在至少滿足表5兩項指標的前提下, 初步判定得到裂流風險等級。

表5 基于水動力指標的濱海旅游海灘裂流風險等級表 Tab. 5 Risk level table for coastal tourism beaches based on hydrodynamic indexes

國內在裂流風險評價方面與國外相比還有欠缺, 不足之處在于國內的裂流風險評價模型局限于裂流本身危害性的評估, 對于由裂流引起的人員傷亡、財產損失等的評估還很缺乏。此外, 由于觀測技術、觀測設備的局限性, 國內缺乏現(xiàn)場觀測的資料, 如需要更加精確的裂流風險評價, 還需要大量的長期現(xiàn)場觀測。

4 結論與展望

我國擁有近300萬平方公里的海域和18 000公里長的大陸海岸線, 在綿長的海岸線上遍布著眾多優(yōu)良的沙灘, 吸引著眾多的游客。然而在這些沙灘上, 隨時會有出現(xiàn)裂流的可能, 對游客的人身安全造成很大的潛在威脅。世界上很多國家都已經(jīng)把預報裂流作為日常預報的項目之一, 對裂流展開一系列深入而全面的研究很有必要。目前, 我國對裂流的研究僅停留在實驗室的物理模型試驗方面(如針對裂流的成因、影響因素等的物理模型試驗), 采用現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬的方法對裂流進行的研究較少。在裂流現(xiàn)場勘測排查、裂流風險評價、風險管理等方面的工作都極為缺乏?？傮w上我國對于裂流的研究還處于起步階段。

(1) 由于現(xiàn)場觀測資料的缺乏, 今后現(xiàn)場觀測需要對新的觀測設備和觀測技術開展研究, 以獲得更為精細的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 從而對海灘裂流安全性和風險進行更為精細的評價, 對具體的海灘的評估也需要大量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù);

(2) 目前國內物理模型試驗都是定床試驗, 今后的物模試驗可以更多的關注動床試驗, 探究裂流對海底泥沙運動的影響以及裂流與海底地形之間的相互作用。此外, 國內的一些學者進行的物理模型試驗都是采用正向規(guī)則波入射, 對于不規(guī)則波、波群及斜向波浪入射作用下的流場特性等探討不多, 這也是值得關注的一個方面;

(3) 數(shù)值模擬需要建立高精度的數(shù)學模型和預報裂流的數(shù)學模型, 以對裂流進行更為精確地預測。采用數(shù)值模擬的方法對裂流進行實時預報是今后研究裂流的發(fā)展趨勢;

(4) 我國的一些學者已經(jīng)對國內的部分海灘做了裂流的風險評價, 但由于缺乏現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 更加精細的風險評價無法繼續(xù)。針對由裂流引起的人員傷亡、財產損失等的評估尚屬空白, 可以借鑒國外用于評估裂流災害引起的人員傷亡、財產損失等模型, 建立一套適用于中國海域的完整的評估模型, 對海灘裂流安全性和風險進行更精細的評價也是今后的發(fā)展趨勢之一。